SHELL氣化爐渣口堵渣原因分析及對策

馮恩剛(中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司；內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

煤制氫裝置是鄂爾多斯煤制油分公司公司的重要生產(chǎn)裝置之一，其任務是為煤液化裝置和液化油提質(zhì)加工裝置制氫裝置提供氫氣。煤制氫裝置采用SHELL干粉煤加壓氣化工藝生產(chǎn)合成氣，SHELL氣化工藝具有碳轉(zhuǎn)化率高、氧耗低、熱利用率高、環(huán)境友好等優(yōu)點。

煤制油SHELL氣化爐設計負荷為2200t/d，2008年投產(chǎn)運行，初始運轉(zhuǎn)期間氣化裝置遭遇較多難題，如氣化爐出口溫度高、濾芯斷裂頻繁、管線腐蝕泄漏等，經(jīng)過大量的技術改造及長時間的操作經(jīng)驗摸索積累，逐漸攻克難題，運行時間大大提高。隨著SHELL氣化爐運行周期增加，氣化爐堵渣造成停車次數(shù)增多。煤氣化系統(tǒng)堵渣發(fā)生在渣口、渣池及渣排放罐。渣口堵渣最為關鍵，處理復雜，并有系統(tǒng)停車及損壞設備風險。

1 氣化爐液態(tài)渣流動過程

粉煤和氧氣通過燒嘴進入氣化爐，生成溫度為1500～1700℃的合成氣和爐渣、爐灰。煤燒嘴與氣化爐并不是垂直安裝，而是略有角度。合成氣在氣化爐內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)氣流，爐渣在離心力作用下甩至水冷壁。爐渣在與水冷壁接觸時，最先靠近的部分因溫度低而固化，附在水冷壁上形成一個動態(tài)的殼層。隨后靠近的爐渣因溫度高而呈液態(tài)，液態(tài)渣附在固態(tài)渣殼表面，在重力作用下往下流，通過渣口流至氣化爐底部的渣池，被激冷水淬激成細小的顆粒排出爐體。渣口大小為900mm，流下的熔融渣在渣口上部溫度降低，粘性增大。當氣化爐溫度異常造成爐溫降低或波動時，熔渣在渣口上部堆積，渣口慢慢變小，造成氣化爐堵渣。影響渣口堵渣有多方面因素，本文從氣化爐原料變化、工藝運行、設備原因三方面對渣口堵渣原因進行全面分析。

2 氣化爐渣口堵渣原因分析

2.1 氣化爐原料變化引起堵渣

SHELL氣化爐進料為煤粉和氧氣/蒸汽，氧氣流量及純度非常穩(wěn)定，變化很小，煤粉流量受意外因素影響產(chǎn)生波動，對氣化爐爐溫有較大影響。由于煤層變化、配煤變化等原因，煤粉的熔融溫度、灰份、氧化物、硫化物等發(fā)生變化，導致進爐煤粉煤質(zhì)發(fā)生變化，氣化爐爐溫波動，引起氣化爐中渣層發(fā)生變化，低溫下渣口渣層變厚，渣口流動直徑變小，引起系統(tǒng)堵渣。

2.1.1 煤灰熔融溫度變化引起堵渣

SHELL煤氣化工藝采用以渣抗渣的流程，高溫下熔渣的流動性是保證裝置正常運行的必要條件。為保證熔渣的流動性，氣化爐必須保持適當?shù)母哂诿褐谢业母邷厝廴跍囟?。煤中煤灰組分、反應氣氛、礦物質(zhì)、粒度等均對煤灰熔融溫度有較大影響。無論是原料煤煤層變化還是煤的來源改變導致煤質(zhì)變化較大時，煤灰的熔融溫度發(fā)生較大變化，造成氣化爐膜式水冷壁上渣層厚度變化，氣化爐工況發(fā)生波動。由于煤質(zhì)分析具有滯后性，因此當煤質(zhì)發(fā)生大的波動，而操作人員未及時調(diào)整操作，系統(tǒng)就會很容易造成堵渣。

2.1.2 煤灰的黏溫特性變化引起堵渣

對于不同的煤灰，在高溫下其黏溫特性差異很大。有的煤灰樣品在氣化爐操作溫度變化范圍內(nèi)黏度變化不大，即對應的氣化操作溫度范圍寬，當操作溫度偏離最佳值時，也對氣化運行影響不大，有的煤灰當溫度稍有變化時，其煤灰在高溫下的黏度變化比較劇烈，在實際操作中應特別注意煤灰在高溫下，結(jié)渣導致排渣不暢而發(fā)生堵塞現(xiàn)象。因氣流床氣化爐采用液態(tài)排渣，一般最佳黏度控制在5～25Pa·s之間，這決定了氣化爐的操作窗口。

硅鋁比能夠影響氣化爐操作窗口，當硅鋁比小于1.8時，氣化爐的操作窗口變小，氣化爐操作溫度被限制在較小范圍內(nèi)，溫度稍高或稍低都會引起氣化爐內(nèi)渣的流動性，增加了跨渣的可能性。

2.1.3 煤中部分元素含量的變化引起堵渣

單質(zhì)鐵的晶化析出會造成渣塊密度增大，硬度增大。煤中鐵含量增加會引起單質(zhì)鐵的析出，形成鐵的化合物從而造成大渣塊的形成。

正常操作時，渣池溫度約為450℃。當煤中硫含量增加，合成氣中FeS增加，F(xiàn)eS顆粒是渣碳化的催化劑，周圍的灰渣開始聚集，并形成大渣塊。

2.2 工藝運行波動引起堵渣

穩(wěn)定的工藝運行能夠保證氣化爐運行穩(wěn)定，然而由于煤粉的固有特性、煤粉角閥調(diào)節(jié)遲緩及其它意外因素，在輸送過程和負荷調(diào)節(jié)過程中，煤線總會產(chǎn)生波動，煤量發(fā)生偏差，從而引起氣化爐爐溫波動，嚴重的情況下會引起渣口堵渣。

2.2.1 煤線不穩(wěn)定引起堵渣

煤粉經(jīng)過煤粉加壓罐，進入兩個煤粉給料倉，每個煤粉給料倉對應兩條煤線，煤線通過煤倉與氣化爐壓力差與加速氮氣控制煤粉速度。在煤粉輸送過程中，由于間斷送料，導致在煤粉下料及隔離時煤粉給料倉總會產(chǎn)生壓力波動導致煤粉線流量發(fā)生變化。在下面兩種情況下，煤線波動會變得更大，一是因為通氣錐設備損壞、煤粉水份超標或充壓閥門關閉不嚴等原因，煤粉下料系列容易產(chǎn)生架橋，處理架橋的過程中，煤粉輸送系統(tǒng)壓力波動變大，煤線運行穩(wěn)定性較差。二是在系統(tǒng)運行時，煤線經(jīng)常因煤閥有異物堵塞而發(fā)生波動，尤其是當煤閥因異物開度較大，煤線會發(fā)生較大波動。

為保護燒嘴頭，煤線設有多個跳車聯(lián)鎖，防止燒嘴頭被燒壞。正常運行時，經(jīng)常發(fā)生因閥門關閉、異物堵塞嚴重、煤線波動太大、儀表問題等跳燒嘴的情況。單條煤線跳車后，為保持系統(tǒng)負荷，其它煤線發(fā)生變化，系統(tǒng)內(nèi)隨之波動，氣化爐內(nèi)溫度及氣流流動發(fā)生較大變化。

煤線的穩(wěn)定性決定了氧煤比的穩(wěn)定性。如果煤線不穩(wěn)，氧煤比波動較大，氣化爐內(nèi)溫度波動發(fā)生不斷的變化，當煤粉的質(zhì)量流量波動在10%～15%內(nèi)，氧煤比變化達11%～30%，氣化爐內(nèi)溫度波動在200℃左右。氣化爐內(nèi)溫度發(fā)生較大的變化，渣層隨之發(fā)生變化。隨溫度降低，渣層增厚。當煤線波動時，氣化爐內(nèi)形成不均勻的渣層，爐溫也會發(fā)生較大波動，氣化爐內(nèi)因此產(chǎn)生較大的渣塊。

2.2.2 負荷頻繁調(diào)整引起堵渣

SHELL氣化爐以氧氣流量為裝置負荷，煤線隨負荷與氧煤比調(diào)整。由于煤閥調(diào)整不能跟隨氧氣負荷及時快速的變化，有一定的滯后性，因此當負荷調(diào)整時，煤粉流量緩慢調(diào)整，造成實際氧煤比發(fā)生變化，氣化爐內(nèi)溫度也隨之變化，氣化爐膜式水冷壁上渣層發(fā)生變化。鄂爾多斯煤制油公司煤制氫裝置為其它裝置供應氫氣，負荷調(diào)整受到全廠負荷及其它裝置的影響，需要經(jīng)常進行調(diào)整，造成氣化爐中渣層不斷變化，如果調(diào)節(jié)不及時，很容易發(fā)生堵渣現(xiàn)象。

2.3 設備原因造成堵渣

裝置運行一段時間后，通過參數(shù)變化趨勢能夠發(fā)現(xiàn)燒嘴頭或燒嘴罩是否發(fā)生泄漏。一旦泄漏發(fā)生，就會影響氣化爐的正常運行，尤其是泄漏嚴重的情況下，在泄漏區(qū)域附近溫度較低，渣層變厚，當達到一定厚度后，渣層脫落，系統(tǒng)出現(xiàn)堵渣現(xiàn)象，如調(diào)整操作不及時甚至會系統(tǒng)停車。

2.3.1 燒嘴頭泄漏

煤粉從煤燒嘴中間圓形管道噴入，煤粉管道外環(huán)為氧氣管道。為保護氣化爐燒嘴頭，防止高溫損壞，燒嘴環(huán)隙內(nèi)通入調(diào)和水進行冷卻。調(diào)和水通過調(diào)和水泵進行循環(huán)，為防止調(diào)和水系統(tǒng)內(nèi)水量降低，導致循環(huán)量減少，調(diào)和水系統(tǒng)建立調(diào)和水罐補充調(diào)和水，液位降低后由高壓除氧水補償。

每次系統(tǒng)停車后，對氣化爐進行檢查，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)燒嘴頭存在泄漏問題。泄漏多出現(xiàn)在燒嘴頭部，有時出現(xiàn)在倒角處環(huán)隙。

燒嘴頭泄漏的主要原因大致有三個方面：

(1)煤線不穩(wěn)定、不均衡

由于通氣錐燒結(jié)金屬損壞，煤線速度及密度會不穩(wěn)定，造成煤線波動，而煤閥內(nèi)有異物也會造成煤線流量不穩(wěn)定。煤線不穩(wěn)會造成燒嘴頭部受熱不均，從而影響燒嘴頭部，產(chǎn)生燒嘴頭裂紋。

每條煤線煤量為計算值，每條煤線均需進行公式進行修改以保證每條煤燒嘴煤量一致，由于每條煤線的速度計、密度計及公式有一定的偏差，當偏差較大時，四條煤燒嘴的實際氧煤比會發(fā)生變化，高氧煤比的煤燒嘴收到熱量輻射較大，因此容易產(chǎn)生燒嘴頭泄漏。

(2)調(diào)和水波動

調(diào)和水溫度保持在210℃，溫度太低，容易產(chǎn)生硫腐蝕。溫度波動時會對燒嘴頭材料造成損壞。調(diào)和水必須保證足夠流速以帶走燒嘴頭部的熱量。

(3)火焰回火

氣化爐運行不穩(wěn)定，煤粉灰份增大，渣量較大時，渣漫過燒嘴罩，造成燒嘴噴出火焰回火，燒嘴頭受到影響。

2.3.2 燒嘴罩泄漏

燒嘴罩安裝在膜式水冷壁煤燒嘴頭處，保護煤燒嘴，避免噴出的火焰被流下的渣影響，同時減少燒嘴頭的輻射熱。燒嘴罩凸出在膜式水冷壁，渣從其兩側(cè)流下。在系統(tǒng)長時間運行停車檢修后，在每次進入氣化爐檢查時，都能發(fā)現(xiàn)燒嘴罩泄漏。

燒嘴罩泄露多發(fā)生在第三、四圈，燒嘴罩泄漏的原因很多，主要原因為：

(1)燒嘴罩管路堵塞

SHELL氣化爐水冷壁在設計上采用拉蒙特管保護形式，由于水質(zhì)等問題，管路流量降低，氣化爐內(nèi)溫度較高，造成燒嘴罩爆管。

(2)燒嘴罩掛渣

由于煤燒嘴有一定的偏斜角度，煤粉與氧氣進入氣化爐燃燒室內(nèi)會形成旋轉(zhuǎn)流場。煤粉燃燒后生成的渣在流場的作用下附在燃燒室內(nèi)表面，起保護水冷壁的作用。如果流場發(fā)生了變化，就會影響到掛渣效果，還會導致渣流入燒嘴罩內(nèi)壁，出現(xiàn)折射火焰，從而燒穿燒嘴罩。

(3)煤線穩(wěn)定性及均衡性

煤線不穩(wěn)、不均衡不僅對燒嘴頭造成很大影響，對燒嘴罩影響同樣很大。煤線不穩(wěn)定會使燒嘴罩附近溫度發(fā)生不斷的變化，造成材料的退化。無論煤線波動或煤線煤量不均衡，均會引起高氧煤比，導致燒嘴罩溫度過高，出現(xiàn)高溫腐蝕穿孔或熱裂紋。

(4)燒嘴安裝問題

煤燒嘴安裝時，首先要保證插入深度，然后確保安裝角度。方可避免發(fā)生偏燒，防止燒壞燒嘴罩。

3 避免堵渣采取措施

氣化爐內(nèi)溫度、氣流流動方向、渣的熔融性、黏性是不停變化的，同時設備因為安裝、煤質(zhì)、水質(zhì)、腐蝕等原因發(fā)生泄漏，這些因素會導致氣化爐內(nèi)發(fā)生巨大變化。通過負荷速率降低及固定各煤線負荷，能夠有效降低負荷變化引起的波動。煤線的穩(wěn)定、均衡運行不僅能夠保障氣化爐穩(wěn)定運行，同時能夠有效保護燒嘴頭、燒嘴罩，避免發(fā)生泄漏導致氣化爐渣口堵渣。在氣化爐穩(wěn)定運行的基礎上，通過采取避免煤質(zhì)波動、保證煤線穩(wěn)定運行、燒嘴頭與燒嘴罩改進等措施，能夠有效避免氣化爐渣口堵渣。

3.1 采取措施避免煤質(zhì)波動造成系統(tǒng)堵渣

鄂爾多斯煤制油分公司煤氣化裝置進煤采用配煤方式，由低灰分的上灣煤與高灰硫的烏海煤通過一定的比例配比而成。上灣煤煤質(zhì)比較穩(wěn)定，烏海煤波動大些，同時配煤時比例會發(fā)生一定的變化，導致煤的灰份及流動溫度發(fā)生一定的波動。通過配煤，氣化爐進料高溫熔融性控制在1300℃左右，避免氣化爐內(nèi)熔融渣流動性發(fā)生大的變化，形成大渣塊。

煤質(zhì)發(fā)生變化時，需及時調(diào)整操作避免系統(tǒng)造成堵渣，同時調(diào)節(jié)配煤比例，盡量降低煤質(zhì)波動引起的影響。煤粉分析為一班一次，當煤質(zhì)變化時，為及時了解煤質(zhì)的變化，可加大取樣頻次，將煤質(zhì)變化影響消除到最小程度。

3.2 保證煤線良好運行

煤線運行過程中不穩(wěn)定因素主要是：輸送過程中煤粉架橋及下料造成的煤線波動，煤粉輸送作為固體密相輸送時本身存在波動。通過煤粉架橋順控修改，將原先的帶壓下壓變?yōu)榇祾吲月肪€，能夠有效降低架橋引起的壓力波動，通過煤粉下料罐壓力調(diào)節(jié)閥進行及時的前饋，及時對調(diào)節(jié)閥進行預設閥位，可以有效降低在下料及隔離時造成的煤粉罐的壓力波動。通過伴熱升級改造、穩(wěn)定氮氣管網(wǎng)壓力、調(diào)節(jié)適當錐部氮氣與加速氮氣速度能夠有效降低固體密相輸送時發(fā)生的煤粉流量波動。

開工前進行良好的煤粉循環(huán)，不僅能夠調(diào)節(jié)速度計、密度計，保證煤線穩(wěn)定運行，同時修正煤線公式，保障每條煤線均衡一致，避免運行時各條煤線時間氧煤比不一致引起燒嘴頭、燒嘴罩損壞。

3.3 燒嘴頭改進

燒嘴頭的使用壽命與多種因素相關，調(diào)和水溫度、壓力、水質(zhì)、流速對燒嘴頭部降溫，防止損壞起到巨大作用，同時燒嘴頭需精心安裝，嚴格按照規(guī)定進行工作。

對燒嘴的金屬材料進行分析后，發(fā)現(xiàn)原有設計中選用材料屬于最優(yōu)系列，不用改變現(xiàn)有材料牌號，但對燒嘴頭的結(jié)構(gòu)可以適當優(yōu)化，將會有助于延長燒嘴頭的使用時間。從大量現(xiàn)場資料看，煤燒嘴泄漏多發(fā)生在環(huán)向壁厚過渡位置，此處壁厚發(fā)生了變化，必然存在一定的應力集中。在不影響安裝尺寸及燒嘴頭部冷卻水的流道情況下，對過度部分進行調(diào)整，由原來的無過度圓角改為圓滑過渡。

3.4 更換適合的燒嘴罩

氣化爐燒嘴罩發(fā)展到現(xiàn)代已有三代，主要區(qū)別為壁厚及燒嘴罩的插入深度。第一代燒嘴罩損壞比較頻繁，主要原因是燒嘴罩擋渣能力不夠。第二代燒嘴罩插入氣化爐深度增加，減輕了渣流入燒嘴罩的可能性，頂部溝槽有效的將流渣導向兩側(cè)，壁厚減小可以降低管壁的溫度梯度，有更好的抗疲勞能力。第三代燒嘴罩降低外圈沒有渣覆蓋的管子的腐蝕，不需要更換整個燒嘴罩。根據(jù)不同的煤種與工況選擇合適的燒嘴罩，能夠有效的延長燒嘴罩使用時間。

4 結(jié)論

(1)煤質(zhì)變化、工藝運行不穩(wěn)定、設備損壞均是氣化爐渣口堵渣的因素之一，多數(shù)情況下各種因素同時作用引起堵渣。

(2)煤粉輸送過程的穩(wěn)定性及煤線煤量的均衡性對于氣化爐穩(wěn)定運行非常重要。修改煤粉輸送架橋順控及增加煤粉倉壓力調(diào)節(jié)閥門反饋可以消除煤粉輸送過程中的大部分干擾因素。煤線不均衡是燒嘴頭、燒嘴罩泄漏的主要原因，開工前必須對煤線進行煤粉循環(huán)，以保證煤線的穩(wěn)定性與均衡性。

(3)氣化爐液態(tài)渣流動方式對氣化爐爐溫控制要求較高，當煤質(zhì)變化、運行不穩(wěn)定、設備內(nèi)漏時，需要及時調(diào)整氣化爐爐溫，以保證液態(tài)渣處于正常流動狀態(tài)，避免氣化爐渣口堵渣。